Kwantumfoutcorrectie maakt quantumtelescopen mogelijk

Onderzoekers uit Australië en Singapore werken aan een nieuwe kwantumtechniek die optische VLBI zou kunnen verbeteren. Het staat bekend als Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), waarmee kwantuminformatie zonder verliezen kan worden overgedragen. Wanneer deze techniek in een kwantumfoutcorrectiecode wordt afgedrukt, zou deze techniek VLBI-waarnemingen in voorheen ontoegankelijke golflengten mogelijk kunnen maken. Eenmaal geïntegreerd met instrumenten van de volgende generatie, zou deze techniek gedetailleerdere studies van zwarte gaten, exoplaneten, het zonnestelsel en de oppervlakken van verre sterren mogelijk kunnen maken.

De interferometrietechniek bestaat uit het combineren van licht van meerdere telescopen om beelden te creëren van een object dat anders te moeilijk zou zijn om op te lossen. Very Long Baseline Interferometry verwijst naar een specifieke techniek die wordt gebruikt in de radioastronomie, waarbij signalen van een astronomische radiobron (zwarte gaten, quasars, pulsars, stervormende nevels, enz.) worden gecombineerd om gedetailleerde beelden van hun structuur en activiteit te creëren. De afgelopen jaren heeft VLBI de meest gedetailleerde beelden opgeleverd van de sterren rond Sagitarrius A* (Sgr A*), de SMBH in het centrum van onze Melkweg.

We kunnen al grootschalige interferometrie in de magnetron uitvoeren. Deze taak wordt echter erg moeilijk bij optische frequenties, omdat zelfs de snelste elektronica de oscillaties van het elektrische veld bij deze frequenties niet rechtstreeks kan meten.

Het proces dat zij voor ogen hebben zou het coherent koppelen van het sterrenlicht in ‘donkere’ atomaire toestanden omvatten die niet uitstralen. De volgende stap, zei Huang, is om het licht te koppelen aan kwantumfoutcorrectie (QEC), een techniek die in kwantumcomputers wordt gebruikt om kwantuminformatie te beschermen tegen fouten als gevolg van decoherentie en andere ‘kwantumruis’.

Arxiv – Sterren in beeld brengen met kwantumfoutcorrectie.

Het combineren van het licht van telescopen over de hele planeet zou directe beeldvorming van planeten in andere zonnestelsels mogelijk maken. Het licht van de ster zou moeten worden afgeschermd, zodat we de exoplaneet in detail kunnen zien.

Er wordt gewerkt aan het creëren van ruimtegebaseerde sterrenschermen voor grote telescopen op de grond. Andere onderzoekers werken eraan dat er een ultralichtgewicht herontwerp zal worden ontwikkeld dat in de ruimte kan worden gebouwd of geassembleerd.

Er komen quantumcomputers met tientallen – of binnenkort honderden – qubits beschikbaar. Veel onderzoeksinspanningen zijn gericht op het gebruik van dergelijke luidruchtige middelzware kwantumapparaten (NISQ) om mogelijkheden te demonstreren die klassieke computers overtreffen. Hier hebben we een toepassing voorgesteld voor een dergelijk NISQ-apparaat voor beeldvorming, waarbij we de informatie beschermen die is gecodeerd in het ontvangen sterrenlicht. Voor het dominante ruistype – defasering – laten we zien dat er een aanzienlijk voordeel kan worden behaald door zelfs een eenvoudige herhalingscode te gebruiken. Voor ruistypen (zelfs vijandig) die tot een bepaald deel van de qubits corrumperen.

De telescooponderzoekers vinden de drempel – 9.4% – waarvoor de kwantum Fisher-informatie behouden kan blijven. Deze drempel is aanzienlijk minder streng dan die vereist voor kwantumberekeningen. Voor pure defasering kunnen ze foutenpercentages tot 50% tolereren. Dit betekent dat kwantumfoutgecorrigeerde telescopen eenvoudiger zijn dan foutgecorrigeerde kwantumcomputers.

Ze verwachten dat hun schema, door gebruik te maken van de theorie van fouttolerante kwantumberekeningen, een hoge QFI kan bereiken, zelfs met een imperfecte QEC-werking.